(57)【要約】  このジェットエンジンは、ジェット噴流が噴射される側から見て、ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより混合層における流体の速度勾配が大きくなることを妨げる突起部（１）を備える。
2011125248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジェットエンジンに搭載され、ジェット噴流を外部に噴射するジェット噴流ノズルであって、
前記ジェット噴流が噴射される側から見て、前記ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより前記混合層における流体の速度勾配が大きくなることを妨げる突起部を備えるジェット噴流ノズル。
【請求項２】
前記突起部は、前記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに複数設けられ、前記ジェット噴流が噴射される側から見て、前記混合層が全周の全領域で配置されている請求項１記載のジェット噴流ノズル。
【請求項３】
前記突起部は、前記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに少なくとも６個設けられている請求項２記載のジェット噴流ノズル。
【請求項４】
前記突起部は、前記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに１８個〜２４個設けられている請求項３記載のジェット噴流ノズル。
【請求項５】
前記突起部が、前記ジェット噴流が噴射される側から見た前記ノズル出口端の中心に向けて半径方向に突出して設けられ、
前記突起部の前記半径方向の外側に前記ノズル出口端まで連続する溝部を備える請求項２〜４いずれかに記載のジェット噴流ノズル。
【請求項６】
前記突起部の高さは、前記ノズル出口端における混合層厚さより大きい請求項２〜５いずれかに記載のジェット噴流ノズル。
【請求項７】
前記突起部の高さは、前記ノズル出口端の直径の２．５〜３．０％である請求項２〜６いずれかに記載のジェット噴流ノズル。
【請求項８】
ジェット噴流を外部に噴射するジェット噴流ノズルを備えるジェットエンジンであって、前記ジェット噴流ノズルとして、請求項１〜７いずれかに記載のジェット噴流ノズルを備えるジェットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェット噴流ノズル及びジェットエンジンに関するものである。
本願は、２０１０年４月９日に、日本に出願された特願２０１０−０９０４８０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ジェットエンジンにおいては、ジェット噴流ノズルから噴射されるジェット噴流に起因する騒音の低減が図られている。
例えば、特許文献１には、ジェット噴流の流路に対して障害物となるミキサを備えるジェット噴流ノズルが記載されている。このようなミキサを備えるジェット噴流ノズルは、ミキサによってノズル出口端を介して噴射されるジェット噴流（コア流）を低速化してジェット噴流の速度を外部気流の速度に近づけ、これによってジェット噴流と外部気流との混合を促進させて騒音の低減を図っている。
より詳細には、ジェット噴流と外部気流との混合を促進することにより、ノズル出口端の近傍に形成された渦流を細かく分散させ、騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制して騒音の低減を図っている。【０００３】
ところが、特許文献１に記載されたミキサを備えるジェット噴流ノズルにおける騒音低減効果が十分ではなかった。
そこで、非特許文献１〜３に示すように、ノズル出口端周りに複数のマイクロジェットノズルを配置し、マイクロジェットノズルからコア流に向けて空気流を噴射することによって騒音の低減を図る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７２２０５号公報
【非特許文献１】Ｂｒｅｎｔｏｎ  Ｇｒｅｓｋａ，  Ａｎｊａｎｅｙｕｌｕ  Ｋｒｏｔｈａｐａｌｌｉ，  Ｊｏｈｎ  Ｍ．  Ｓｅｉｎｅｒ，  Ｂｅｒｎａｒｄ  Ｊａｎｓｅｎ，  Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｕｋｅｉｌｅｙ，  ［Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｊｅｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  ａｎ  Ｆ４０４  Ｊｅｔ  Ｅｎｇｉｎｅ］，  １１ｔｈ  ＡＩＡＡ／ＣＥＡＳ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （２６ｔｈ  ＡＩＡＡ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）  ２３−２５  Ｍａｙ  ２００５，  Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，  ＡＩＡＡ  ２００５−３０４７．
【非特許文献２】Ｔｈｏｍａｓ  Ｃａｓｔｅｌａｉｎ，  Ｍｉｃｈｅｌ  Ｓｕｎｙａｃｈ，  Ｄａｎｉｅｌ  Ｊｕｖｅ，  ［Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｍｉｃｆｏｊｅｔｓ  ｏｎ  ａ  Ｈｉｇｈ−Ｓｕｂｓｏｎｉｃ  Ｊｅｔ］，  １２ｔｈ  ＡＩＡＡ／ＣＥＡＳ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （２７ｔｈ  ＡＩＡＡ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）  ８−１０  Ｍａｙ  ２００６，  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，  ＡＩＡＡ  ２００６−２７０５．
【非特許文献３】Ｔｈｏｍａｓ  Ｃａｓｔｅｌａｉｎ，  Ｍｉｃｈｅｌ  Ｓｕｎｙａｃｈ，  Ｄａｎｉｅｌ  Ｊｕｖｅ，  ［Ｊｅｔ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｊｅｔｓ：  ａｎ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｊｅｔ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ］，  １３ｔｈ  ＡＩＡＡ／ＣＥＡＳ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （２８ｔｈ  ＡＩＡＡ  Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）  ２１−２３  Ｍａｙ  ２００７，  Ｒｏｍｅ，  Ｉｔａｌｙ，  ＡＩＡＡ  ２００７−３４１９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、発明者らは、マイクロジェットノズルを用いた騒音の低減原理が、ミキサを備えるジェット噴流ノズルにおける騒音の低減原理とは、異なることを発見した。【０００６】
詳細に説明すると、ミキサを備えるジェット噴流ノズルにおける騒音の低減原理は、上述のようにミキサによってジェット噴流を遮ることでジェット噴流の低速化を図り、ジェット噴流と外部気流との混合を促進してノズル出口端の近傍に形成された渦流を細かく分散させ、これによって騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制するというものである。【０００７】
これに対して、マイクロジェットノズルを用いた場合では、マイクロジェットノズルから噴射された空気流によって、ノズル出口端から噴射されたジェット噴流と外部気流との混合層が湾曲され、ジェット噴流が噴出される側から見た混合層を見かけ上厚くすることができる。混合層が薄ければ、高速のジェット噴流と低速の外部気流が狭い領域で混合されることで速度勾配が急速に大きくなるため、速度勾配に起因する混合層における剪断力が強くなるが、このようにジェット噴流が噴出される側から見た混合層が厚くなることにより、広い領域でジェット噴流と外部気流が混合されることで混合層における速度勾配が緩やかになって速度勾配が大きくなることが妨げられ、混合層における剪断力が低減する。
一方で、ノズル出口端の近傍に形成される渦流は、混合層における剪断力が強いほど大きく成長する。ここで、マイクロジェットノズルを用いた場合には、混合層における剪断力が低減されているため、渦流の成長を抑制し、結果として騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制することができる。【０００８】
つまり、マイクロジェットノズルを用いた騒音の低減原理は、ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲させることで混合層における剪断力の低減を図り、ノズル出口端の近傍に形成される渦流の成長を抑制し、これによって騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制するというものである。【０００９】
このようなマイクロジェットノズルを用いた騒音の低減方法は、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合よりも、騒音の低減効果が高いことが実証されている。
しかしながら、マイクロジェットノズルを用いた騒音の低減方法を採用する場合には、マイクロジェットノズルから噴射するための空気流をジェットエンジンの内部から抽気してくる必要がある。具体的には、ジェットエンジンが備えるファンや圧縮機から高圧空気を抽気し、マイクロジェットノズルから噴射する構成が採られている。
このため、ジェットエンジンの構造が複雑化し、メンテナンスが煩雑なものとなってしまう。
また、抽気した高圧空気の流路となる配管等に起因してジェットエンジンの重量が増加し、さらに高圧空気を抽気することによって燃焼器に供給される高圧空気量が減少する。このため、推力ロスを招くという問題も生じる。【００１０】
なお、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合であっても、ジェット噴流が低速化されるために、ジェット噴流の噴射によって得られる反力が減少し、推力ロスを招く。【００１１】
また、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合とマイクロジェットノズルを用いる場合とに共通するが、ミキサあるいはマイクロジェットから噴射される空気流によって、ノズル出口端の近傍の混合層における乱れとレイノルズ応力とが局所的に増加し、高周波数領域に新たな騒音源を作り出すこととなる。
従来から問題視されていた騒音は低周波数領域のものであり、高周波数領域に新たに作り出された騒音源は、従来の騒音と比べればその影響は小さいものである。しかしながら、従来の騒音が低減されるにつれて目立っていく可能性もあり、高周波数領域の騒音も低減する必要がある。【００１２】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ジェットエンジンにおいて、簡素な構成でマイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現すると同時に、推力ロスを低減可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、ジェットエンジンに搭載され、ジェット噴流を外部に噴射するジェット噴流ノズルは、上記ジェット噴流が噴射される側から見て、上記ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより上記混合層における流体の速度勾配が大きくなることを妨げる突起部を備える。【００１４】
本発明の第２の態様によれば、上記突起部が、上記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに複数設けられ、上記ジェット噴流が噴射される側から見て、上記混合層が全周の全領域で配置されている。【００１５】
本発明の第３の態様によれば、上記突起部は、上記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに少なくとも６個設けられている。上記突起部は、上記ジェット噴流が噴射されるノズル出口端周りに１８個〜２４個設けられていてもよい。【００１６】
本発明の第４の態様によれば、上記突起部が、上記ジェット噴流が噴射される側から見た上記ノズル出口端の中心に向けて半径方向に突出して設けられ、上記突起部の上記半径方向の外側に上記ノズル出口端まで連続する溝部を備える。【００１７】
本発明の第５の態様によれば、上記突起部の高さは、上記ノズル出口端における混合層厚さより大きい。【００１８】
本発明の第６の態様によれば、上記突起部の高さが、上記ノズル出口端の直径の２．５〜３．０％である。【００１９】
本発明の第７の態様によれば、ジェット噴流を外部に噴射するジェット噴流ノズルを備えるジェットエンジンは、上記ジェット噴流ノズルとして、上記第１〜第６いずれかの態様に係るジェット噴流ノズルを備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、突起部によって、ジェット噴流と外部気流との混合層が、ジェット噴流が噴射される側から見て湾曲されることにより混合層における流体の速度勾配が緩やかにされるため速度勾配が大きくなることが妨げられる。このため、マイクロジェットノズルを用いた騒音の低減原理と同様に、ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲させることで混合層における剪断力の低減を図り、ノズル出口端の近傍に形成される渦流の成長を抑制し、これによって騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制することができる。つまり、本発明によれば、従来から問題視されていた低周波数の騒音をマイクロジェットノズルと同様に低減させることができる。
また、後にシミュレーション結果を用いて説明するが、本発明によれば、ノズル出口端の近傍の混合層における最大乱流運動エネルギが低減し、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合やマイクロジェットノズルを用いた場合よりも、高周波数の騒音を低減させることができる。
したがって、本発明によれば、低周波数においてマイクロジェットを用いた場合と同等に騒音を低減し、高周波数においてミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合やマイクロジェットノズルを用いた場合よりも騒音を低減することができるため、マイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現することができる。【００２１】
また、本発明によれば、上述の騒音の低減が突起部によって実現される。このため、マイクロジェットノズルを用いる場合と比較して、遥かに簡素な構成で騒音の低減を図ることができる。【００２２】
さらに、騒音の低減が突起部によって実現されることにより、ジェットエンジンから高圧空気を抽気する必要がなくなることから、マイクロジェットノズルを用いた場合における推力ロスの原因を排除することができる。また、本発明においては、混合層を湾曲させることによって騒音の低減を図るため、ジェット噴流を低速化させる必要がなく、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合における推力ロスの原因も排除することができる。【００２３】
以上のように、本発明によれば、ジェットエンジンにおいて、簡素な構成でマイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現すると同時に、推力ロスを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態におけるジェットエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態におけるジェットエンジンが備えるジェット噴流ノズルをジェット噴流が噴出する側から見た図である。
【図２Ｂ】図２Ａにおける領域Ａを拡大した拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるジェットエンジンが備えるジェット噴流ノズルの斜視図である。
【図４】マイクロジェットノズルを用いた場合と、本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおける無次元速度分布のシミュレーション結果である。
【図５】マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合と、本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおけるレイノルズ応力分布のシミュレーション結果である。
【図６Ａ】マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合と、本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおける最大レイノルズ応力分布をグラフ化したものであり、ノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離とノズル出口端の直径との比が０．０〜３．０の範囲を示すグラフである。
【図６Ｂ】マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合と、本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおける最大レイノルズ応力分布をグラフ化したものであり、ノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離とノズル出口端の直径との比が１．０〜３．０の範囲を示すグラフである。
【図７】マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合と、本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおける最大乱流運動エネルギをグラフ化したものである。
【図８】マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合とにおける騒音試験の結果を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態におけるジェットエンジンが備えるジェット噴流ノズルと、従来ノズル及びミキサを備えるジェット噴流ノズルとのジェットエンジンノズル性能の比較を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態に係るジェットエンジンが備えるジェット噴流ノズルと、ミキサを備えるジェット噴流ノズルとの推力ロスの比較を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態におけるジェットエンジンが備えるジェット噴流ノズルの変形例において、ジェット噴流ノズルをジェット噴流が噴出する側から見た図である。
【図１２】従来のマイクロジェットノズルにおけるマイクロジェット設置本数と騒音低減量との関係を表わすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明に係るジェット噴射ノズル及びジェットエンジンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２６】
図１は、本実施形態のジェットエンジン１０の概略構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態のジェットエンジン１０は、ファン２０と、圧縮機３０と、燃焼器４０と、タービン５０と、ジェット噴流ノズル６０とを備えている。
なお、これらのファン２０と、圧縮機３０と、燃焼器４０と、タービン５０と、ジェット噴流ノズル６０とが空気の流れ方向に配列されている。
【００２７】
ファン２０は、外部からジェットエンジン１０の内部に空気を取り込む。ファン２０は、後段に配置されるタービン５０から動力が伝達されることによって駆動される。
圧縮機３０は、ファン２０によって取り込まれた空気を圧縮する。圧縮機３０は、ファン２０と同様に、後段に配置されるタービン５０から動力が伝達されることによって駆動される。
燃焼器４０は、圧縮機３０によって圧縮された空気を燃料と混合して燃焼することによって高温高圧ガスを生成する。
タービン５０は、燃焼器４０から供給される高温高圧ガスのエネルギの一部を回転動力に変換する。タービン５０は、ファン２０及び圧縮機３０に機械的に接続されている。
ジェット噴流ノズル６０は、タービン５０を介して供給される高温高圧ガスをジェット噴流として外部に噴射する。
【００２８】
図２Ａは、ジェット噴流が噴射される側から見たジェット噴流ノズル６０の全体図である。図２Ｂは、図２Ａの領域Ａを拡大した拡大図である。図３は、ジェット噴流ノズル６０を含むジェットエンジン１０の拡大斜視図である。
【００２９】
これらの図に示すように、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０は、ノズル出口端６１を有する円筒隔壁によって形成されており、ノズル出口端６１からジェット噴流を噴射する。
そして、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０は、円筒隔壁の内壁面に形成され、レイノルズ出口端６１周りに等間隔で複数設けられた突起部１を備えている。
【００３０】
突起部１は、ジェット噴流が噴射される側から見て、ジェット噴流と外部気流（ジェット噴流ノズル６０の外側から流れてくる外気の流れ）との境界領域に形成される混合層を湾曲（図４参照）することにより、混合層における流体の速度勾配が大きくなることを妨げるものである。
より詳細には、突起部１が存在しない場合には、混合層の形状は、ノズル出口端６１と同様に円形となる。しかし、突起部１が存在することによって、突起部１周り部位が当該円周から円形の内側に入り込むように湾曲する。突起部１によって混合層が湾曲されることによって、ジェット噴流が噴出される側から見た混合層が見かけ上厚くなる。このようにジェット噴流が噴出される側から見た混合層が厚くなることにより、突起部１が存在せずに混合層が湾曲しない場合と比較して、混合層における速度勾配が緩やかとなり速度勾配が大きくなることを妨げる。これにより、混合層における剪断力が低減する。
【００３１】
本実施形態においては、突起部１がノズル出口端６１周りに等間隔で複数設けられている。このため、混合層の形状は、図４に示すように、本来のノズル出口端６１に沿う円周に沿う波状に繰り返し湾曲した形状となる。
【００３２】
本実施形態においては、突起部１は、ジェット噴流が噴射される側から見て、混合層が全周の全領域で湾曲される数だけ配置されており、具体的には等間隔で１８個配置されている。なお、突起部１は必ずしも１８個である必要はなく、１８個〜２４個程度が好ましい。なお、突起部１が１８個より少ないと、混合層の湾曲が十分でなくなり、レイノルズ応力低減効果は得られるが十分ではない。
【００３３】
各突起部１は、ジェット噴流が噴射される側から見たノズル出口端６１の中心に向けて半径方向に突出した三角錐形状を有している。各突起部１の、ノズル出口端６１における高さｄ（図２Ｂ参照）は、ノズル出口端６１における混合層厚さの２倍程度となるように、ノズル出口端の直径の２．５〜３．０％とされている。
このようにノズル出口端６１において突起部１の高さを混合層厚さの２倍程度とするのは、流体の運動量が混合層の中において主流と比べて少ないため、突起部１の高さが混合層よりも小さいと突起部１により流体の運動量が変化し流れが湾曲する効果が得られないためである。よって、突起部１の高さはノズル出口端６１において混合層の厚さよりも十分大きい必要がある。
【００３４】
また、突起部１の奥行き（ジェット噴流の流れ方向の長さ）は、高さｄの２倍程度であることが好ましい。これは、突起部１がノズル内壁に対して３０°程度内側に入り込むと混合層が開始する地点で流れが湾曲する効果が得られやすいためである。
【００３５】
また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０は、図２Ｂに示すように、円筒隔壁の外側には、各突起部１に合わせて、ノズル出口端６１まで連続して到達する溝部２を備えている。つまり、溝部２は、ノズル出口端６１の半径方向において、突起部１の外側に設けられている。
【００３６】
なお、各突起部１及び溝部２は、突起部１及び溝部２が設けられていないジェット噴流ノズルを用意し、このジェット噴流ノズルのノズル出口端近傍に対してノッチを形成する加工を行うことによって一度の工程で形成することができる。
【００３７】
本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０によれば、突起部１によって、ジェット噴流と外部気流との混合層が、ジェット噴流が噴射される側から見て湾曲されることにより混合層における流体の速度勾配が緩やかになり速度勾配が大きくなることが妨げられる。このため、マイクロジェットノズルを用いた騒音の低減原理と同様に、ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲させることで混合層における剪断力の低減を図り、ノズル出口端６１の近傍に形成される渦流の成長を抑制し、これによって騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制することができる。つまり、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０によれば、従来から問題視されていた低周波数の騒音をマイクロジェットノズルと同様に低減させることができる。
【００３８】
図４は、マイクロジェットノズルを用いた場合と、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いた場合とにおける無次元速度分布のシミュレーション結果である。この無次元速度分布は、混合層の形状を示している。
図４において、Ｘはノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離であり、Ｄはノズル出口端の直径を示している。マイクロジェットノズルの数は、突起部と同じ１８とした。さらに、マイクロジェットノズルから噴射される空気とジェット噴流との流量比は０．６％とした。
図４から分かるように、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いた場合における混合層の形状と、マイクロジェットノズルを用いた場合における混合層とは酷似している。つまり、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いることによって、マイクロジェットノズルを用いた場合と同様に混合層を湾曲することができる。
【００３９】
図５は、図４におけるシミュレーションにおいて、ノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離Ｘが０．４Ｄである場合におけるレイノルズ応力分布を示す図である。
図５から分かるように、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いた場合における混合層の形状と、マイクロジェットノズルを用いた場合における混合層とは酷似している。つまり、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いることによって、マイクロジェットノズルを用いた場合と同様に混合層を湾曲することができる。
【００４０】
図４及び図５に示すシミュレーション結果から、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いることにより、マイクロジェットノズルを用いた場合と同様に混合層を湾曲することができ、これにより低周波数の騒音をマイクロジェットノズルと同様に低減できることが分かった。本実施形態のジェット噴流ノズル６０において、混合層の湾曲は、ジェット噴流ノズル６０に設けられた突起部１によってなされる。
【００４１】
図１２に、非特許文献２及び非特許文献３に記載されている、マイクロジェットノズルにおけるマイクロジェット設置本数と騒音低減量との関係を表わすグラフを示す。図１２において、横軸は設置されたマイクロジェット本数にマイクロジェットの直径を乗じた数値を、マイクロジェットが設置されている主ノズルの周長で除した無次元数を表わす。縦軸は騒音低減量として総合音圧レベル（ＯＡＳＰＬ：ＯｖｅｒＡｌｌ  Ｓｏｕｎｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｌｅｖｅｌ）をデシベル（ｄＢ）で表わした数値を示す。図１２の縦軸に示す騒音低減量は、この値が高いほど騒音の低減量が大きく、静かであることを示す。図１２において、記号の傍らに付された数値は、ｎが設置されたマイクロジェットの本数を示し、ｄがマイクロジェットの直径を示す。図１２の横軸に示す無次元数は、主ノズルに対するマイクロジェットの幾何学的専有比を表わすものであり、設置されるマイクロジェットの、本数と、直径との変数であるが、図１２においては、騒音低減量（ＯＡＳＰＬ）に対するマイクロジェットの本数の影響のみを明らかにするために、マイクロジェットの直径は一定（ｄ＝１）としている。
【００４２】
図１２から分かるように、マイクロジェットの直径を一定として本数を変化させた場合、マイクロジェット本数ｎ＝１８〜２４の範囲で騒音低減量（ＯＡＳＰＬ（ｄＢ））が最大値を示すことが分かる。すなわち、マイクロジェットノズルにおいては、マイクロジェットノズルの直径が変化しない場合において、その本数が１８個〜２４個の条件下で最も騒音が低減され、静かになる。本実施形態における突起部１は６個以上であれば効果が得られるが、その最適個数は、図１２に示す先行文献（非特許文献２及び非特許文献３）から示されるマイクロジェットノズルの効果を参考にすると、１８個から２４個がより好適であると考えられる。すなわち、本実施形態のジェット噴流ノズル６０においても、突起部１の個数が１８個〜２４個の条件下で最も騒音が低減され、静かになると考えられる。
【００４３】
図６Ａ及び図６Ｂは、従来ノズル（マイクロジェットノズル、ミキサ及び突起部を持たないノズル）を用いた場合と、マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流を用いた場合と、本実施形態のジェット噴流ノズルを用いた場合における最大レイノルズ応力の変化を示すシミュレーション結果である。
図６Ａ及び図６Ｂにおいては、ノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離Ｘとノズル出口端の直径Ｄとの比を横軸にとり、最大レイノルズ応力を縦軸にとっている。図６Ａはノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離Ｘとノズル出口端の直径Ｄとの比が０．０〜３．０の範囲を示す。図６Ｂはノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離Ｘとノズル出口端の直径Ｄとの比が１．０〜３．０までの範囲を示す。
図６Ａ及び図６Ｂから、マイクロジェットノズルを用いた場合と、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いた場合とで、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合よりも最大レイノルズ応力（低周波数の騒音）を低減でき、さらに従来のノズルよりも最大レイノルズ応力（低周波数の騒音）を低減できることが分かる。
【００４４】
図７は、従来ノズルを用いた場合と、マイクロジェットノズルを用いた場合と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合と、本実施形態のジェット噴流ノズルを用いた場合における最大乱流運動エネルギの変化を示すシミュレーション結果である。
図７においては、ノズル出口端からジェット噴流の噴射方向への離間距離Ｘとノズル出口端の直径Ｄとの比を横軸にとり、最大乱流運動エネルギを縦軸にとっている。
図７から、マイクロジェットノズルを用いた場合とミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合よりも、本実施形態のジェット噴流ノズル６０を用いた場合の方が、ノズル出口端の直後において最大乱流運動エネルギを大幅に低減できることが分かる。
ここで、ミキサを備えるジェット噴流ノズルと、本実施形態のジェット噴流ノズル６０の騒音試験を行なった結果を図８に示す。騒音試験は、ミキサを備えるジェット噴流ノズルと、本実施形態のジェット噴流ノズル６０のそれぞれについて、エンジン側方とエンジン下流とで騒音を測定して行なった。
図８に示すように、ミキサを備えるジェット噴流ノズルでは、エンジン下流では騒音低減効果が見られるものの、エンジン側方での騒音はうるさく、エンジン側方での騒音低減効果は見出せなかった。これに対し、本実施形態のジェット噴流ノズル６０では、エンジン側方の音がうるさくならず、エンジン側方における騒音低減効果が見出された。
ノズル出口端の直後における最大乱流運動エネルギは、高周波数の騒音の大きさと比例すると考えられる。これより、本実施形態のジェット噴流ノズル６０は、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合よりもノズル出口端の直後において最大乱流運動エネルギを大幅に低減でき、これによって高周波数の騒音、すなわちノズル出口端における騒音を大幅に低減できると考えられる。
【００４５】
次に、本実施形態のジェット噴流ノズル６０がジェットエンジンノズル性能及び推力ロスに及ぼす影響について、図９及び図１０に基づいて検証する。図９は、本実施形態のジェット噴流ノズル６０と、従来ノズル及びミキサを備えるジェット噴流ノズルとのジェットエンジンノズル性能の比較を示すグラフである。図１０は、本実施形態のジェット噴流ノズル６０と、ミキサを備えるジェット噴流ノズルとの推力ロスの比較を示すグラフである。
【００４６】
図９において、横軸はエンジンの運転条件を示し、ジェットエンジン出口圧力と雰囲気圧力との比を用いている。縦軸は、ジェットエンジンノズル性能の指標である出口における有効面積（Ａｅ：Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ａｒｅａ  ａｔ  Ｅｘｉｔ）を示す。図９では、ジェット噴流ノズルの種類がジェットエンジンの性能に及ぼす影響について検証するために、従来ノズルと、ミキサを備えるジェット噴流ノズルと、本実施形態のジェット噴流ノズル６０の比較を行った。従来ノズルとしてはコニカルノズルを用いた。ミキサを備えるジェット噴流ノズルとしては、鋸状の流出口を持つシェブロンノズルを用いた。
【００４７】
図９に示すように、現行エンジンの性能を表わす従来ノズル（コニカルノズル）性能に対し、ミキサを備えたジェット噴流ノズル（シェブロンノズル）の性能はかなり低い。ここから、ミキサを備えたジェット噴流ノズルでは、性能補正を加えないと、設計どおりの出力の得られたエンジンとならず、設計サイクルが増え、コスト増となる問題があることが分かる。これに対し、本実施形態のジェット噴流ノズル６０では、現行のエンジン性能である従来ノズルに近い位置でエンジンの性能が推移している。ここから、本実施形態のジェット噴流ノズル６０では、性能設計に影響が小さく、設計どおりの出力を得ることが可能となることが分かる。
【００４８】
図１０において、横軸は推力ロスの評価条件を示し、図９と同様に横軸はエンジンの運転条件を示し、ジェットエンジン出口圧力と雰囲気圧力との比を用いている。縦軸は、推力ロスの指標であるエンジンにかかる抗力が推力に占める割合Ｄ／Ｆ（％）を示す。図１０では、ジェット噴流ノズルの種類がジェットエンジンの性能に及ぼす影響について検証するために、ミキサを備えるジェット噴流ノズルと、本実施形態のジェット噴流ノズル６０の比較を行った。図９と同様に、ミキサを備えるジェット噴流ノズルとしては、鋸状の流出口を持つシェブロンノズルを用いた。
【００４９】
ジェットエンジンの推力ロスに関しては、Ｄ／Ｆ（％）の指標が０に近いほど抵抗が少なく、推力ロスが小さい。従来ノズルであるコニカルノズルでは、Ｄ／Ｆ（％）はほぼ０である。ミキサを備えるジェット噴流ノズル（シェブロンノズル）は、Ｄ／Ｆ（％）が０．０４〜０．０５で推移しており、抵抗が大きく、推力ロスが多いことが分かる。これは、ミキサを備えるジェット噴流ノズル（シェブロンノズル）では、その鋸状の流出口が有するギザギザの突起をエンジンの内側に絞り込むことで過大な圧力差を生じ、エンジン推進の抵抗力となっているためであると考えられる。これに対し、本実施形態のジェット噴流ノズル６０では、Ｄ／Ｆ（％）は０．０１〜０．０２と、ミキサを備えるジェット噴流ノズル（シェブロンノズル）よりもかなり低い。ここから、本実施形態のジェット噴流ノズル６０は、推力ロスが少ないことが分かる。
【００５０】
このように、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０によれば、低周波数においてマイクロジェットを用いた場合と同等に騒音を低減し、高周波数においてミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いる場合やマイクロジェットノズルを用いた場合よりも騒音を低減することができる。このため、マイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現することができる。
【００５１】
また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０によれば、上述の騒音の低減が突起部１によって実現される。このため、マイクロジェットノズルを用いる場合と比較して、遥かに簡素な構成で騒音の低減を図ることができる。
【００５２】
さらに、騒音の低減が突起部１によって実現されることにより、ジェットエンジンから高圧空気を抽気する必要がなくなることから、マイクロジェットノズルを用いた場合における推力ロスの原因を排除することができる。また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０においては、混合層を湾曲させることによって騒音の低減を図るため、ジェット噴流を低速化させる必要がなく、ミキサを備えるジェット噴流ノズルを用いた場合における推力ロスの原因も排除することができる。
【００５３】
以上のように、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０によれば、ジェットエンジンにおいて、簡素な構成でマイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現すると同時に、推力ロスを低減させることができる。
【００５４】
また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０においては、突起部１が、混合層が全周の全領域で湾曲される数だけ配置されている。このため、混合層を全域で湾曲させて、混合層の全域で速度勾配を低減させることができる。
したがって、本実施形態の噴流ノズル６０によれば、騒音の低減効果をより高めることが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０においては、突起部１の半径方向の外側にノズル出口端６１まで連続する溝部２を備えている。
このため、溝部２に沿って、外部気流を引き込むことによって効率的に混合層を湾曲させることができる。したがって、より小さな突起部１で効率的に混合層を湾曲させることが可能となり、突起部１がジェット噴流の障害物となることを抑制し、推力ロスをより低減させることが可能となる。
【００５６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５７】
例えば、上記実施形態においては、突起部１及び溝部２が三角錐形状である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図１１に示すように、円錐形状の突起部１Ａと溝部２Ａとを備える構成を採用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、ジェットエンジンにおいて、簡素な構成でマイクロジェットノズルを用いた場合と同等以上の騒音の低減を実現すると同時に、推力ロスを低減させることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ａ    突起部
２、２Ａ    溝部
１０        ジェットエンジン
６０        ジェット噴流ノズル
６１        ノズル出口端
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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